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          以FPGA为核心的机器视觉系统设计方案详解

          2018年07月13日 10:57 次阅读

          机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉作为人类视觉与大脑的延伸,是衡量现代工业自动化程度的标志之一。近年来,随着计算机技术尤其是多媒体技术和数字图像处理及分析理论的成熟,以及大规模集成电路的迅速发展,机器视觉技术得到了广泛的应用研究,取得了巨大的经济与社会效益。

          机器视觉系统主要由3部分组成:图像的获取、图像的处理和分析、输出或显示。本文介绍了基于FPGA的一种机器视觉系统,该系统采用Gige Vision摄像机来获取图像,在FPGA中采用了Gige Vision IP核,根据TCP/IP传送协议实现了FPGA与PC机的数据通讯。

          1 FPGA实现机器视觉的优势

          随着机器视觉系统应用中分辨率的提高和压缩算法的进步,对系统性能和构架灵活性提出了更高的要求,以实现系统的快速更新。可选择的系统构架包括标准单元ASIC,ASSP以及各种可编程解决方案,如数字信号处理器(DSP)或媒体处理器和FPGA。每种构架都具有各自的优缺点,最终选择取决于终端设备要求和解决方案的可用性。理想构架应具有以下特点:高性能、灵活性、易升级性、低开发成本以及具有随着应用成熟和产量增加向更低成本迁移的能力。FPGA具有并行运算、反复使用、大量可使用的软核的优势,是实现机器视觉理想构架的合理选择。

          FPGA是小批量系统提高集成度、可靠性的最佳选择之一。随着VLSI工艺的不断提高,单一芯片内部已可以容纳上百万个晶体管,这使得FPGA芯片所能实现的功能也越来越强,同时也可以实现系统集成。

          FPGA有大量软核,可以方便进行二次开发。FPGA甚至包含单片机和DSP软核,并且IO数仅受FPGA自身IO限制,所以,FPGA又是单片机和DSP的超集。也就是说,单片机和DSP能实现的功能,FPGA一般都能实现。在SoC设计中,基于FPGA器件设计工艺的发展使得越来越多的功能集成到一个芯片成为可能。为实现这一目标,有一种非常实用的SoC设计方法,称为基于核的设计,它将系统的功能划分为不同的核。采用IP(Intellectual Property)核来完成特定的设计功能。本文就是采用了Gige Vision的IP核来完成主要部分设计的。

          2 机器视觉系统设计

          2.1 设计原理

          系统原理框图如图1所示。

          以FPGA为核心的机器视觉系统设计方案详解

          这个解决方案基于Xilinx低功耗低成本的Spartan 3E FPGA芯片上实现,它提供了整合CameraLink,Gige Vision IP,千兆以太网MAC的平台和可选的Visual Applets软件。

          2.2 视频输入模块

          在ITS及安防行业,现在主要使用的是模拟摄像机,也有部分厂家推出了网络摄像机(Pcamera)。GigeVision摄像机与他们之间的对比如表1所示。

          以FPGA为核心的机器视觉系统设计方案详解

          从以上的对比表可以看出,Gige Vision摄像机的主要优点是:

          (1)逐行扫描;

          (2)高清晰,缓高分辨率达到4百万像素;

          (3)帧率高:最高帧率达到200 f/s;

          (4)数据未经压缩,无损失;

          (5)可以根据需要输出部分扫描数据;

          (6)可以通过软件自动改变摄像机参数,适应变化的现场环境;

          (7)后期应用开发方便。

          基于Gige Vision摄像机的优点,本系统采用GigeVision摄像机。

          2.3 FPGA中使用的模块

          FPGA中使用Camera Link来进行与相机的互连。Camera Link是一个应用于高端机器视觉的强大的数据通道。它使用一个专门的电缆连接和标准化的通信协议。Camera Link支持大量的数据和高数据传输率,适合今天的图像数据传输的要求。

          在系统中Xilinx FPGA中使用的Gige Vision是一种由AIA(Automated Imaging AsSoCiaTIon)开发的相机接口标准。这是一项开放性的标准,它能让来自不同厂家的摄像机与应用软件通过吉比特以太网实现相互间的无间合作。Gige Vision使用了一个标准的千兆以太网连接同其高带宽(1 Gb/s)实现了未经压缩图像和数据的实时传输。使用Gige Vision IP是实现高性能机器视觉应用的理想解决方案。一个吉比特以太网相机使用Camera Link与Gige Vision相连。

          Gige Vision是一种实现单/多相机与单/多计算机相连接进行数据集中和分布式处理的理想标准。使用标准千兆以太网允许使用标准电缆和连接器,从而降低材料费和整合成本以及后续增长以太网带宽的可扩展性。

          本方案中使用的Gige Vision IP核是根据的GigeVision规范1.0版的Gige Vision数据流协议的硬件实现。它是由Xilinx的合作伙伴Feith Sensor-to-Image。GmhH发开的。因为通过硬件来实现数据流通道可以达到千兆以太网的最大吞吐量。IP核的结构如图2所示。

          以FPGA为核心的机器视觉系统设计方案详解

          Gige Vision的核心由内存控制器、吉比特以太网MAC、控制微处理器和一个视频处理单元组成。

          Gige Vision核提供了吉比特以太网MAC接入系统的其余部分,处理Gige Vision数据流通道,对GigeVision通道再发送申请包进行解码,并提供一个嵌入式CPU的网络接口。CPU处理了除Gige Vision数据流控制以外的所有网络协议。内存控制器作为特殊的视频帧缓冲区,它不是缓冲输入的视频帧,而是把它们分成可供网络传输和实现Gige Vision数据流协议的部分处理包重发送功能的较小区域。

          FPGA中与计算机相连的部分使用的是FingerLakes Engineering为Xilinx开发的Phantom TriMode MAC IP核。它与Gige Vision IP核集成在一起,充分应用1 Gb/x Rx/Tx速率,支持IPv4,IPv6,Jumbo Packet和MDIO。Phantom核具有独特的重新计时路径,从而能降低时钟缓冲器计数值同时简化核的集成度,对于低成本的Spartan器件和高性能的Virtex构架都是理想的选择。

          2.4 主机接口设计

          本方案中使用吉比特以太网与计算机连接,计算机上需安装Visual Applets软件。

          Visual Applets是由Silicon Software开发的一款软件,可完全兼容Xilinx的FPGA。Visual Applets完成了一个极其强大、灵活、快速和优化的Gige Vision开发平台,它使不熟悉FPGA的机器视觉专家也能简单地操作这个系统。

          Silicon Software开发的Visual Applets为最先进的FPGA设计工具,经由易学易用的图形接口,可以开发出图像处理专用的FPGA confi guraTIon,即所谓的applet。

          借由Visual Applets可以:

          (1)使影像卡变成一个高效能的影像处理器;

          (2)现代FPGA的潜能可由任何使用者自行发挥;

          (3)影像处理的解决方案可在数分钟内完成;

          (4)达成硬件阶层的快速开发。

          使用Visual Applets,不必拥有较深的硬件知识,如数字电路、时间分析、FPGA硬件设计语言。使用VisuaI Applets只要将各个处理模块之问作链接,各种链接的兼容性可实时显示,各模块间能以不同的位相关系作链接,同时也能评估系统需求资源与数据带宽分析,甚至于分析每个模块连接点之间的流量,快速找到设计瓶颈。设计完成后,产生编译档只要几分钟的时间,期间不需要任何人工动作,Applet可立即在microDisplay中使用并进行参数设定,同时也会自动产生一个Visual C++ SDK project。

          3 结语

          本文根据以FPGA芯片为核心设计了一种通用的机器视觉系统,可以应用到产品生产线、车辆智能监控管理等各种场合。采用最新的高性能视觉标准和国际知名大公司开发的IP核以及主机Visual Applets软件的使用极大地提升了系统的性能、可靠性。

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          发表于 2018-07-06 08:42 984次阅读
          “FPGA+云"如何提高性能计算“FPGA+云"...

          基于FPGA加速vBRAS解决方案,三家公司联合...

          据称,本次三家联合发布的解决方案是业界首个在电信云中采用FPGA完成商用级vBRAS数据面调度加速的...

          发表于 2018-07-06 08:30 78次阅读
          基于FPGA加速vBRAS解决方案,三家公司联合...

          数据传输差异的处理

          由于数据传输的差异,测试pattern生成的眼图并不一定会是从一个完整的眼图起始。因此,如果采用第一...

          发表于 2018-07-05 15:25 195次阅读
          数据传输差异的处理

          FPGA的电源电压种类,你知道多少?

          在硬件电路设计中,每一个IC芯片都有相应的电源端口对其供电,以驱动IC进行工作。对于普通的IC芯片,...

          发表于 2018-07-05 08:33 125次阅读
          FPGA的电源电压种类,你知道多少?

          关于FPGA的几点问题,你了解吗?

          因此,要想学好FPGA,你得用硬件的思维方式来编写代码,注重FPGA的系统结构设计,好的系统结构设计...

          发表于 2018-07-04 14:12 82次阅读
          关于FPGA的几点问题,你了解吗?

          Zynq、FPGA等相关芯片可以运用到那些领域

          因为Zynq-7000 PS(Processing System)端嵌入了Cortex-A9 ARM...

          发表于 2018-07-04 14:12 68次阅读
          Zynq、FPGA等相关芯片可以运用到那些领域

          Xilinx品牌FPGA使用的三种证书

          JESD204B协议是目前高速AD,DA通用的协议。对于基带使用FPGA用户来说,Xilinx品牌的...

          发表于 2018-07-04 10:12 58次阅读
          Xilinx品牌FPGA使用的三种证书

          乘法器的使用方法你知道哪些?

          在做项目的过程中,经常遇到乘法计算,乘法器的设计就尤为重要。乘法器决定了最终电路功能能否实现,资源使...

          发表于 2018-07-04 09:41 304次阅读
          乘法器的使用方法你知道哪些?

          关于基于Profibus-DP总线的位移传感器设...

          测量技术是现代工业生产和科学研究中必不可少的一项技术,其中基于磁致伸缩效应的位移测量技术因其稳定性好...

          发表于 2018-07-03 14:06 333次阅读
          关于基于Profibus-DP总线的位移传感器设...

          FPGA在自动驾驶车内部发挥的重要作用详细资料概...

          虽然每个人都希望宣示ASIC的所有权,但大部份最先进的处理都是以FPGA完成的,它让用户有机会在高效...

          发表于 2018-07-03 10:34 935次阅读
          FPGA在自动驾驶车内部发挥的重要作用详细资料概...

          使用Xilinx Vivado设计套件创建一个...

          Xilinx以制造 可编程门阵列(FPGA)而闻名,它是基于一个通过可编程接点连接的可配置逻辑块(C...

          发表于 2018-07-03 10:19 99次阅读
           使用Xilinx Vivado设计套件创建一个...

          基于FPGA的Cordic算法实现的设计与验证

          本文是基于FPGA实现Cordic算法的设计与验证,使用Verilog HDL设计,初步可实现正弦、...

          发表于 2018-07-03 10:18 69次阅读
          基于FPGA的Cordic算法实现的设计与验证

          基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现...

          随着信息技术的发展,特别是各种数字处理器处理速度的提高,人们对数据采集系统的要求越来越高,特别是在一...

          发表于 2018-07-03 09:01 156次阅读
          基于FPGA +AD7609的数据采集系统的实现...

          数字图像水印的FPGA实现步骤

          未加水印的图像表示为f水印表示为w,常数a控制水印和衬底图像的相对可见性。如果a为1,则水印是不透明...

          发表于 2018-07-03 08:22 77次阅读
          数字图像水印的FPGA实现步骤

          Xilinx Zynq-7000系列:基于ARM...

          该委员会专门设计用于与来自锡林克斯的PYNQ项目合作,并使用Python语言和库,设计师可以创建高性...

          发表于 2018-07-03 08:17 106次阅读
          Xilinx Zynq-7000系列:基于ARM...

          清华大学魏少军教授:从IA到AI,我们还要走多远

          清华大学魏少军教授指出,未来10年,人工智能和深度学习将成为提升硅片需求的主导因素。到2025年,人...

          发表于 2018-07-02 18:10 1011次阅读
          清华大学魏少军教授:从IA到AI,我们还要走多远

          新思科技公司宣布集成化混合原型验证解决方案

          通过对新设计的功能使用Virtualizer虚拟原型技术和对重用逻辑使用基于FPGA的HAPS原型技...

          发表于 2018-07-02 11:50 77次阅读
          新思科技公司宣布集成化混合原型验证解决方案

          “万能芯片”FPGA在深度学习领域的用法

          而众所周知,在专用芯片与通用芯片中间,还有一个更为灵活,也更为神秘的领域:FPGA。无论是英特尔天价...

          发表于 2018-07-02 07:59 289次阅读
          “万能芯片”FPGA在深度学习领域的用法

          Xilinx Spartan-6系列封装概述和管...

           Spartan-6系列具有低成本、省空间的封装形式,能使用户引脚密度最大化。所有Spartan-6...

          发表于 2018-07-01 10:48 97次阅读
          Xilinx Spartan-6系列封装概述和管...

          FPGA简单门电路怎么实现?

          verilog实现反相器,2输入与门、2输入或门、2输入与非门、2输入或非门、2输入异或门、2输入同...

          发表于 2018-07-01 10:28 116次阅读
          FPGA简单门电路怎么实现?

          关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

          随着硬件技术的进步,软盘逐渐被新的存储介质代替。但部分旧设备(比如织布机等)并不支持这些更快、容量更...

          发表于 2018-06-29 14:26 353次阅读
          关于基于FPGA和ARM的虚拟软盘实现

          关于基于FPGA的HDMI多模式显示模块的设计

          随着社会信息化程度的不断提高,人们对视频处理的要求越来越高,视频处理系统处理的数据量也越来越大。在嵌...

          发表于 2018-06-29 14:13 386次阅读
          关于基于FPGA的HDMI多模式显示模块的设计

          关于基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实...

          数字匹配滤波器是直接序列扩频通信系统中的关键部件,可以通过编程实现接收端同步和解扩,提高通信系统数字...

          发表于 2018-06-29 14:12 329次阅读
          关于基于FPGA的多模式数字匹配滤波器的设计与实...

          RAM分为简单双口RAM和真双口RAM

          真双口RAM给设计带来很多便利。在高速存储中,需要对连续的数据同时处理,使用简单双口RAM只能读取一...

          发表于 2018-06-29 08:54 1054次阅读
          RAM分为简单双口RAM和真双口RAM

          Windows应用程序,操作系统,计算机硬件之间...

          前面说过操作系统能很好的去操作底层硬件,但是不知道什么时候去操作和操作到了什么程度,这些都是由应用程...

          发表于 2018-06-29 08:49 429次阅读
          Windows应用程序,操作系统,计算机硬件之间...

          LT3070:为FPGA和服务器应用设计的稳压...

          采用低电压运作的新式 FPGA 和服务器对于细微的电源电压下降很敏感。这种压降可能是以下因素综合作用...

          发表于 2018-06-28 12:13 295次阅读
           LT3070:为FPGA和服务器应用设计的稳压...

          关于基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相...

          鉴相技术是电力电子系统和测试控制中的关键技术之一,在仪器仪表、通信、导航定位、研究网络相频特性和锁相...

          发表于 2018-06-28 11:53 377次阅读
          关于基于FPGA的可消除高频非线性的动态分频鉴相...

          基于Xilinx 16nm Virtex Ult...

          基于Xilinx 16nm Virtex UltraScale+ 器件VU9P的异构计算实例F3在阿...

          发表于 2018-06-28 09:57 719次阅读
          基于Xilinx 16nm Virtex Ult...

          基于FPGA的图像加速解决方案

          百度云云市场从产品、技术、客户资源等多渠道,开放资源与能力,引入第三方合作伙伴,与合作伙伴深度合作,...

          发表于 2018-06-28 09:51 1128次阅读
          基于FPGA的图像加速解决方案

          关于 LTM4643 的特性介绍与应用

          LTM4643 是一款四输出降压型 μModule® (电源模块) 稳压器,该器件可配置为单输出 (...

          发表于 2018-06-28 04:14 535次阅读
          关于 LTM4643 的特性介绍与应用

          FPGA系统中三种方式减少亚稳态的产生

          在FPGA系统中,如果数据传输中不满足触发器的Tsu和Th不满足,或者复位过程中复位信号的释放相对于...

          发表于 2018-06-27 10:11 133次阅读
          FPGA系统中三种方式减少亚稳态的产生

          FPGA设计的“三个代表”:Ultrafastd...

          UFDM建议正确的HDL coding风格来满足目标器件,讨论时序约束和时序收敛。正确的IO约束,I...

          发表于 2018-06-27 09:50 79次阅读
          FPGA设计的“三个代表”:Ultrafastd...

          便携式GNSS导航信号采集回放系统,可编写针对K...

          该系统的监控端采用了基于CortexA8系列的ARM处理器,该处理器同时兼顾了成本与性能的要求,可设...

          发表于 2018-06-27 09:15 95次阅读
          便携式GNSS导航信号采集回放系统,可编写针对K...

          关于FPGA的功耗评估需要知道些什么

          项目设计初期会选型,工程师根据资源、IO、硬核、IP等选择对应型号的FPGA。功耗部分xilinx提...

          发表于 2018-06-27 09:05 81次阅读
          关于FPGA的功耗评估需要知道些什么

          新一代SoC FPGA提供系统可信根,防止关键数...

          物联网(IoT)的规模和复杂性不断上升,对主动的强化安全措施的需求日益增加。仅利用软件安全功能已经不...

          发表于 2018-06-27 08:31 94次阅读
          新一代SoC FPGA提供系统可信根,防止关键数...

          关于嵌入式FPGA的内容详解

          换句话说,eFPGA是一种数字可重构结构,由可编程互连中的可编程逻辑组成,通常表现为矩形阵列,数据...

          发表于 2018-06-25 17:51 181次阅读
          关于嵌入式FPGA的内容详解

          FPGA需要跑多快?影响FPGA计算性能的几大因...

          我们写软件程序的时候,习惯了给函数很多参数作为条件,根据参数内容执行函数的操作。FPGA做计算就不希...

          发表于 2018-06-25 16:46 580次阅读
          FPGA需要跑多快?影响FPGA计算性能的几大因...

          为什么使用FPGA?FPGA为什么比GPU的延迟...

          计算密集型任务的例子包括矩阵运算、图像处理、机器学习、压缩、非对称加密、Bing 搜索的排序等。这类...

          发表于 2018-06-25 16:02 620次阅读
          为什么使用FPGA?FPGA为什么比GPU的延迟...

          关于基于4通道时间交织的FPGA高速采样系统的设...

          高性能的模数转换器(Analog Digital Converter,ADC)被广泛应用于通信、仪器...

          发表于 2018-06-25 11:45 459次阅读
          关于基于4通道时间交织的FPGA高速采样系统的设...

          关于光电扫描测量网络信号采集模块的设计

          基于光电扫描的坐标定位系统是近年来新兴的一种坐标测量方法,具有精确度高、不易受周围环境干扰等优点,因...

          发表于 2018-06-25 11:35 375次阅读
          关于光电扫描测量网络信号采集模块的设计

          关于带通采样星载AIS非相干接收机的FPGA实现

          AIS系统是一种船舶交通信息交换系统,船载AIS设备不断发送自身信息,如航向、吨位等,用以领航调度、...

          发表于 2018-06-25 11:13 381次阅读
          关于带通采样星载AIS非相干接收机的FPGA实现

          FPGA约束的详细介绍

          介绍FPGA约束原理,理解约束的目的为设计服务,是为了保证设计满足时序要求,指导FPGA工具进行综合...

          发表于 2018-06-25 09:14 150次阅读
          FPGA约束的详细介绍

          FPGA资源怎么平民化?阿里云的新改造

          FPGA (现场可编程门阵列)由于其硬件并行加速能力和可编程特性,在传统通信领域和IC设计领域大放异...

          发表于 2018-06-23 09:44 119次阅读
          FPGA资源怎么平民化?阿里云的新改造

          FPGA中的冒险现象和如何处理毛刺

          通过改变设计,破坏毛刺产生的条件,来减少毛刺的发生。例如,在数字电路设计中,常常采用格雷码计数器取代...

          发表于 2018-06-23 08:49 127次阅读
          FPGA中的冒险现象和如何处理毛刺

          面向数据包处理的Xilinx智能解决方案

          在开放式协作服务爆炸性增长以及移动和社交网络不断发展的推动下,结合智能设备的普及以及不同服务供应商和...

          发表于 2018-06-22 15:13 99次阅读
          面向数据包处理的Xilinx智能解决方案

          NGcodec谈FPGA编码在HEVC和AV1上...

          随着HEVC、AV1等更复杂算法的Codec份额逐步增长,实现高质量视频编解码需要硬件支持,软件的方...

          发表于 2018-06-22 15:01 113次阅读
          NGcodec谈FPGA编码在HEVC和AV1上...

          关于基于分数低阶协方差谱的频谱感知算法研究及其F...

          长期以来,传统的频谱管理与划分采用静态频谱分配方式[1],导致无线频谱利用率低下,同时研究发现,即使...

          发表于 2018-06-22 14:58 482次阅读
          关于基于分数低阶协方差谱的频谱感知算法研究及其F...

          Xilinx FPGA对数字信号处理的性能

          Xilinx FPGA 可提供卓越的数字信号处理 (DSP) 性能,能够满足音频处理、接口、压缩、嵌...

          发表于 2018-06-22 14:57 93次阅读
          Xilinx FPGA对数字信号处理的性能

          关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

          感应式磁力仪基于法拉第电磁感应原理,用于探测近地空间的低频交变磁场[1],它通常自带标准信号源,用于...

          发表于 2018-06-22 14:55 362次阅读
          关于基于分段多项式近似的DDFS研究及FPGA实...

          分布式算法是一项重要的FPGA技术

          式中:xb(n) 表示第n个数据的第b位。由于x(n)为有限位数据,且xb(n)的取值为[0,1],...

          发表于 2018-06-22 14:53 528次阅读
          分布式算法是一项重要的FPGA技术

          关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

          正交频分复用(OFDM)由于具有抗多径衰落,频谱利用率高等特点,因而被广泛用于无线通信系统中。但是由...

          发表于 2018-06-22 14:51 432次阅读
          关于基于前导的OFDM系统信道估计及FPGA实现

          获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

          背景 微控制器作为目前嵌入式系统设计的主力军在各行各业得到了广泛的应用,但随着物联网、智能硬件、VR...

          发表于 2018-06-22 11:35 114次阅读
          获得高校、专家一致认可的小脚丫FPGA开发板到底...

          揭秘造芯黑马的神秘面纱

          如果说目前高端集成电路的落后现状是因为我国相关产业起步晚、积累少导致的,对于如今再次兴起的人工智能浪...

          发表于 2018-06-21 08:02 681次阅读
          揭秘造芯黑马的神秘面纱